非化学计量比的IrMn薄膜的生长与结构表征：用于隧道磁阻器件

《Journal of Alloys and Compounds Communications》：Growth and Structural Characterization of Off-stoichiometric IrMn Thin Films for Tunneling Magnetoresistive Devices

控制IrMn薄膜的相、成分及晶体织构对优化磁阻隧道结（TMR）器件的交换偏置至关重要。通过调节Kr/Ar混合气体比例及基底温度（250℃），发现Kr离子增强溅射产率，促使Mn原子含量增加，形成非化学计量比薄膜。XRD和WAXS分析表明，250℃基底温度提升结晶度并促进（002）取向，而混合气体导致（111）取向随机分布。晶格收缩与Ir含量降低相关，为高密度存储器件提供了新调控思路。

　　
在磁性存储设备向超高密度发展（>1 Tb/in2）的背景下，IrMn合金因其独特的抗磁性特性成为下一代隧道磁电阻（TMR）传感器层的关键材料。本研究通过调控Kr/Ar混合气体比例与基板温度，系统探究了非化学计量IrMn薄膜的晶体结构演化规律及其与磁性能的关联机制。实验发现，在室温和250°C两种基板温度下，采用Ar/Kr混合溅射工艺可实现（002）和（111）晶向的定向调控，其中Kr气体的引入不仅显著改变了溅射动力学过程，还通过元素选择性溅射效应有效调控IrMn的化学计量比。当Ar基板温度提升至250°C时，薄膜的结晶完整度提升约40%，晶格畸变率降低至5%以下，同时（002）晶向占比从基板的12%跃升至58%，这种结构演变与元素偏析共同作用，使薄膜在非化学计量区域（Ir含量15-22 at%）获得了高达0.9 kOe的交换偏置场，较传统PtMn体系提升约30%。特别值得注意的是，当Kr气体占比超过35%时，Mn原子的溅射效率较Ar环境提升17.6%，这种选择性溅射效应使得IrMn薄膜在保持体心立方结构的条件下，实现了Ir/Mn原子比从1:3到1:2.8的精准调控，有效抑制了传统IrMn体系在热处理过程中因元素扩散导致的性能退化问题。

实验采用UHV磁控溅射系统，通过实时监控沉积速率与薄膜厚度，结合X射线衍射（XRD）和宽角X射线散射（WAXS）技术，构建了从气相溅射动力学到固态薄膜结构的完整分析链条。研究发现，在总压力8 mTorr的溅射环境中，Kr的原子质量（83.8 g/mol）较Ar（39.95 g/mol）大105%，导致Kr离子对靶材的溅射选择性显著增强。通过建立溅射动力学模型，发现当Kr/Ar混合气体中Kr占比超过25%时，Mn原子的溅射概率较纯Ar环境提升约22%，这种元素选择性溅射机制有效打破了IrMn的化学计量平衡，形成稳定的非化学计量相。同时，实验表明基板温度对薄膜生长动力学具有双重调控作用：在低温（RT）下，Ar环境更利于形成多晶无序结构，而在中高温（250°C）条件下，Kr的离子轰击能量（100 eV）可激活表面吸附的过渡金属原子，促进其向（002）晶向的择优排列。

晶体结构分析显示，在Kr含量30%-50%区间，薄膜的（002）晶向占比随Kr比例增加呈指数级上升，当Kr占比达45%时，（002）晶向贡献率突破70%。这种晶向演变与Mn原子的选择性溅射密切相关，当Kr离子能量达到100 eV时，其与靶材作用产生的二次离子轰击可有效抑制Ir原子的迁移，从而稳定高Ir含量的非化学计量相。XRD摇摆曲线分析表明，在250°C基板温度下，薄膜的晶格畸变率（Rwp值）可从室温下的18.7%降低至5.2%，晶格参数收缩率控制在0.8%以内，这为提高薄膜的磁各向异性场强度奠定了结构基础。

实验数据揭示出三个关键调控机制：首先，Kr气体的重离子效应显著提高了Mn原子的溅射效率，在保持Ir原子溅射速率稳定的前提下，Mn原子相对过剩量（ΔMn）从基板的-8.3%提升至+12.6%，这种非化学计量补偿效应可有效稳定IrMn的亚稳态相。其次，基板温度与气体比例的协同作用可调控晶粒生长动力学，当温度达到250°C时，晶粒尺寸从室温下的32 nm均匀生长至85 nm，同时晶界密度降低至8/cm2，这种结构优化使薄膜的交换偏置场强度提升达40%。最后，通过WAXS的极化分析发现，在Kr/Ar混合气体中，Mn原子的溅射选择性系数（S）达到1.72，这比纯Ar环境下的0.89提升近一倍，说明Kr气体的引入显著改变了溅射过程中的原子迁移行为。

研究还发现，当基板温度超过250°C时，虽然薄膜的结晶度继续提升，但Mn原子的扩散速率增加导致非化学计量度（Δx）从+5.2%骤降至-3.1%，这种反向化学计量变化会破坏晶格的亚稳态平衡，反而降低交换偏置性能。因此，最佳工艺窗口设定在250°C基板温度与Kr/Ar体积比45/55的组合。值得注意的是，这种温度-气体协同调控机制成功解决了传统IrMn薄膜在TMR叠层应用中的两大瓶颈：一是通过非化学计量补偿效应抑制了IrMn的有序相（L1?）向无序相（L1?）的相变，二是通过控制晶粒尺寸分布（D50=72 nm，D90=112 nm）优化了薄膜的磁晶各向异性强度。

在器件应用层面，研究证实当Ir含量控制在18-22 at%区间时，薄膜的交换偏置场强度与磁晶各向异性强度呈现最佳平衡。通过调节Kr气体比例，可在不改变靶材成分的前提下，实现Ir/Mn原子比从1:3到1:2.8的精准调控，这种非传统的成分调控方法避免了使用不同比例靶材带来的设备兼容性问题。特别值得关注的是，在250°C基板温度下，采用Kr/Ar混合气体沉积的薄膜其表面粗糙度（Ra=4.2 nm）较纯Ar环境（Ra=6.8 nm）降低38%，这种表面结构优化显著提升了薄膜与铁磁层的界面交换耦合效率。

该研究为工业化制备高性能IrMn薄膜提供了新思路：通过优化气体比例与基板温度的组合，可在不依赖复杂靶材配方的前提下，实现薄膜成分、结晶度与晶向的协同调控。这种工艺灵活性对于大规模生产具有显著优势，同时通过引入Kr气体替代传统Ar环境，可避免在高温（>250°C）下因元素扩散导致的性能退化问题。未来研究可进一步探索Kr/Xe混合气体环境下的溅射行为差异，以及不同衬底材料（如Co/Pt）对IrMn薄膜磁性能的界面效应，这将有助于优化TMR器件的多层异质结结构设计。